Energia Idroelettrica

Transcript

1 Università degli Studi di Perugia Ing. Andrea Nicolini Energia Idroelettrica

2 Rendimenti di un impianto idroelettrico La produzione di energia dipende da due fattori principali, la caduta o salto (head) e la portata d acqua (flow rate). Salto lordo o geodetico = differenza di altezza fra la superficie libera della sezione di presa dell acqua ed il livello nella sezione del corso d acqua dove il flusso è restituito (ottenibile con una depressione naturale o artificiale). il salto lordo dipende dall orografia del luogo e presenta ampi margini di variazione. Salto netto o motore di una centrale idroelettrica = caduta effettivamente utilizzata alla turbina, ossia il salto lordo meno le perdite che si verificano all opera di presa e quelle dovute al sistema di trasporto dell acqua (canali, tubazioni, condotte forzate, ecc.). Portata = il volume di acqua che attraversa una determinata sezione del corso d acqua nell unità di tempo (m 3 /s). La portata dipende dalla superficie del bacino, dalla permeabilità del suolo, dalla vegetazione e soprattutto dai fattori climatici che generano gli apporti positivi (le precipitazioni) e negativi (l evaporazione, l evapotraspirazione, ecc.).

3 Energia prodotta Teorema di BERNOULLI tra sezioni 1 e 2 gh P u1 P2 u2 ρ 2 ρ 2 ξ Considerando che 2 2 u1 u2 gh 2 ENERGIA CAPTATA DALL IMPIANTO IDROELETTRICO E gh ξ' È necessario pertanto realizzare tra le sezioni 1 e 2 un percorso a minor resistenza che comporti perdite minori ed impiegare la differenza positiva E trasformandola in energia meccanica disponibile su di un albero rotante gh ξ L energia potenziale relativa alla caduta H viene trasformata in calore in modo irreversibile La potenza ottenibile da un gruppo di produzione elettrica turbina-generatore è espressa dalla seguente relazione: Potenza [kw] P = η x 9,81 G x H Salto motore netto [m] Rendimento del gruppo di produzione turbina-generatore Portata d acqua [m 3 /s] NOTA: non è esplicitato nella formula, ma l espressione è moltiplicata per 1000 kg/m 3 (densità dell acqua) e divisa per 1000 (fattore di conversione W-kW)

4 Energia prodotta

5 Rendimenti di un impianto idroelettrico P P e o rendimento globale suddividiamo la perdita nelle diverse aliquote H = caduta geodetica H = caduta netta a monte turbina ' ' H H / g (m.c.a.) se P o = ghρg P m = gh ρg Pm a Po P P t i t rendimento turbina i Pm t i Pm m Pt m P P i i = potenza ceduta dall acqua alle palette P t = potenza trasferita all asse della turbina P e P a i m e e t H ' ' 1 H gh rendimento idraulico rendimento meccanico rendimento elettrico RENDIMENTO GLOBALE rendimento opere adduz.

6 Valutazione delle risorse idriche I corsi d acqua naturali traggono origine dalle precipitazioni. Natura delle risorse idrauliche La misura delle precipitazioni atmosferiche si misura in [mm] Altezza del pelo libero dell acqua raccolta in un recipiente scoperto (pluviometro) Riferito ad un unità di tempo (Precipitazione oraria, giornaliera, mensile, annuale ) Nel mondo la piovosità media annuale si aggira attorno agli mm L Italia rientra nella media annuale con le seguenti distinzioni: Sul versante alpino ed appenninico e valle del Po, vale 800 mm/anno Nella Carnia vale mm/anno In Puglia e Sardegna vale 500 mm/anno

7 Valutazione delle risorse idriche Esistono carte idrologiche del territorio in cui sono tracciate curve a uguale precipitazione PIOVOSITA (pluviometro) mm/anno Curve isoiete (racchiudono aree interessate dalla stessa piovosità)

8 Afflussi e deflussi Regime pluviometrico = studio della distribuzione della piovosità di una data zona geografica distribuita in lassi di tempo ben precisi Si può determinare la quantità di acqua annua di precipitazione che alimenta un corso naturale. 1) Si traccia sulla carta idrologica il perimetro che delimita la vallata del corso del fiume (Si congiungono le creste montagnose) 2) Si devono planimetrare le zone comprese tra le varie coppie di isoiete 3) Si attribuisce ad ogni zona fra le isoiete una piovosità media 4) Sommando i vari contributi si determina il volume di acqua annuo che alimenta il fiume 5) Per ogni corso il fiume deve tenere conto anche dei vari affluenti

9 Afflussi e deflussi Risulta molto importante il volume di acqua effettivamente defluito nell anno e le portate istantanee della corrente V C Coefficiente di deflusso V = volume defluito in un certo t V o V o = volume affluito nello stesso t Valori orientativi del coefficiente di deflusso C = 0,8 per versante alpino C = 0,6 per versante appenninico C = 0,4 per il meridione e le isole

10 Afflussi e deflussi Non è possibile stabilire alcuna regola generale inerente al rapporto tra l andamento delle precipitazioni e quello dei deflussi. Si può avere solo qualche informazione da rilievi fatti su bacini di tipo analogo a quello analizzato. I bacini si possono dividere nei seguenti tipi Glaciale (Alpi) Niveopluviale (Prealpi e Appennino settentrionale) Pluviale (Appennino centrale e meridionale) P = precipitazioni d = deflussi

11 Profilo longitudinale del corso d acqua

12 Curva idrodinamica valore idrodinamico [m Km 2 ] Affluenti La pianificazione delle risorse idrauliche si basa sulla CURVA IDRODINAMICA del corso in questione, che rappresenta l andamento della quota altimetrica z rispetto all area S del bacino imbrifero del corso L area S del bacino è proporzionale alla portata utile La curva idrodinamica ha un andamento sempre decrescente I tratti piani rappresentano lo sbocco di un affluente (o canale di derivazione) nel corso d acqua Lo sbocco di un affluente determina un brusco apporto di una superficie tributaria e quindi di portata

13 Curva idrodinamica valore idrodinamico [m Km 2 ] Affluenti La pianificazione consiste principalmente nell iscrivere nella curva idrodinamica un certo numero di rettangoli. La superficie complessiva dei rettangoli deve coprire la frazione più elevata possibile della superficie compresa tra la curva idrodinamica e l asse delle ascisse. Ogni rettangolo corrisponde a un impianto L impianto idraulico sfrutta il salto pari all altezza del rettangolo ed una portata proporzionale alla lunghezza della base

14 Curva idrodinamica valore idrodinamico [m Km 2 ] Affluenti L area del rettangolo prende il nome di VALORE IDRODINAMICO. Tale valore corrisponde all energia annua che l impianto può fornire: E = g*c*a*h*η*10 3 /3600 [kwh] C = coefficiente di deflusso A = z*s area rettangolo h = piovosità η = rendimento dell impianto Praticamente: A*h è l acqua precipitata C*(A*h) è l acqua che defluisce Ovviamente lo sfruttamento pianificato del corso d acqua è tanto più completo quanto maggiore è il numero degli impianti in cascata.

15 Impianti ad acqua fluente Realizzati derivando direttamente dal fiume una frazione di portata. La turbina produce con modi e tempi totalmente dipendenti dalla disponibilità nel corso d acqua. Quando il corso d acqua è in magra e la portata scende al di sotto di un certo valore predeterminato - la portata minima della turbina installata sull impianto - la produzione di energia cessa. Gli impianti a medio (H>30 m) ed alto salto (H>100 m) utilizzano sbarramenti per avviare l acqua verso l opera di presa dalla quale l acqua è convogliata alle turbine attraverso una tubazione in pressione (condotta forzata). Sono impianti relativamente economici. L utilizzo dell impianto è strettamente legato alle condizioni meteorologiche.

16 Impianti ad acqua fluente

17 Impianti ad acqua fluente

18 Impianti ad acqua fluente Negli impianti ad acqua fluente, la potenza istantanea realizzabile è funzione del corso d acqua che alimenta l impianto. Necessario studio approfondito dell andamento della portata nel tempo (curva di portata); In fase di progetto per il dimensionamento delle macchine In fase di esercizio per la regolazione delle stesse Le informazioni alla base dello studio sono di natura statistica: si ottengono con periodici rilievi di portata in numerose annate. Curva di Frequenza = indica la frequenza con cui ogni portata si verifica nel corso dell anno

19 Impianti ad acqua fluente Il metodo classico per lo studio dell impianto ad acqua fluente si basa sul diagramma di durata del corso d acqua. La curva delle durate congiunge i punti aventi, per ogni valore della portata, ascisse pari al numero di giorni in cui è stata registrata una portata superiore a quella in questione. Si può ricavare dalla curva delle frequenze. Piena Ordinaria e Magra ordinaria (valori riferiti al 75% dei massimi o dei minimi)

20 Impianti ad acqua fluente DIMENSIONAMENTO Si supponga che l impianto sia dimensionato per una potenza massima complessiva W, ottenibile con una portata pari a q. Per un numero di giorni (365-z) le turbine funzioneranno in regolazione, essendo le portate inferiori a q. Per un numero di giorni (z) le turbine funzioneranno a piena potenza, essendo le portate superiori a q. La portata eccedente dovrà defluire a valle, poiché le turbine non possono lavorare a portate superiori a q. L energia ottenibile è rappresentata dall area sottesa la curva. Aumentando il valore della portata massima elaborabile q : 1) L area che rappresenta l energia annua ottenibile aumenta 2) Il numero di giorni z durante i quali l impianto lavora a massima potenza diminuiscono. 3) La dimensione dell impianto aumenta 4) Aumentano i costi di investimento

21 Impianti ad acqua fluente CRITERI DI PROGETTO Dimensionare l impianto in base alla massima potenza W* Si può optare per potenze maggiori di quella ottimale: Maggior costo ma con maggiore energia prodotta Esigenze di produzione rendano accettabile anche un costo unitario superiore al minimo Non è mai consigliabile dimensionare l impianto con potenze inferiori a quella ottimale Minor costo con minore energia prodotta Scelta Turbina: per grandi portate (Kaplan o Francis)

22 Impianti a bacino Attraverso un opera di sbarramento, si crea una diga che produce una differenza di quota rispetto al punto di utilizzazione dove si trovano le turbine. Si utilizzano Turbine Pelton adatte ad elaborare grandi cadute. Dal bacino si spilla solo la portata relativa alla potenza richiesta e per questo, potendo realizzare una regolazione della potenza, tali impianti vengono destinati al servizio di punta. Sono provvisti di un bacino con una certa capacità d invaso in modo da poter regolare la quantità di flusso addotta in turbina; questo tipo di impianto è collocato principalmente nei tratti superiori dei fiumi.

23 Impianti a bacino Il bacino ha la funzione di un vero e proprio accumulatore di energia. Lo schema funzionale di un impianto a bacino comprende: L opera di sbarramento (o diga di ritenuta ) che intercetta il corso d acqua e crea un serbatoio di raccolta Una o più gallerie di derivazione Una o più condotte forzate La centrale vera e propria Canali di scarico delle acque In Italia, la maggioranza degli impianti alpini e appenninici sono di tipo a bacino

24 Impianti a bacino DIMENSIONAMENTO: Ci si basa sulla curva di deflusso attraverso la sezione del corso d acqua che alimenta il bacino: Portata q defluita nel tempo t Con riferimento ad un periodo T (un anno), l area sottesa alla curva di deflusso misura il volume complessivo d acqua affluito nel bacino Si crea la curva degli efflussi ( e ) Dividendo tale volume per il periodo T, si determinerebbe la portata media =V/T La quantità d acqua che sarà possibile prelevare sarà inferiore alla portata affluita a causa di alcune perdite (natura del terreno, evaporazione da insolazione).

25 Impianti a bacino DIMENSIONAMENTO: Escursione totale del volume d acqua nel bacino Si tracciano le parallele r e r alla retta r e tangenti alla curva degli efflussi e L escursione totale del bacino risulta pari a V0, ossia alla distanza nella direzione delle ordinate tra le tangenti r e r Per un deflusso uniforme, il volume del bacino dovrebbe essere almeno pari a V0 Il bacino risulterebbe pieno al massimo nel punto P e completamente vuoto nel punto P PRELIEVO COSTANTE RARAMENTE RICHIESTO (V0 è fissato dalla situazione orografica)

26 Impianti a bacino DIMENSIONAMENTO A VOLUME COSTANTE: Si trasla la curva degli efflussi e con uno spostamento pari al volume V del bacino realizzabile A partire dal punto C (il volume [VC-VA] rappresenta il volume di acqua contenuta nell invaso nel momento iniziale) è possibile tracciare una qualsiasi spezzata interna alle due curve degli efflussi Se si vorrà rispettare una ripetibilità ciclica di funzionamento, si dovrà presupporre la medesima quantità di acqua invasata all inizio di ogni periodo Quindi il volume alla fine del periodo dovrà essere uguale a quello iniziale (VC-VA)=(VC -VA ) Regola del filo teso Consiste nell immaginare di tendere un filo flessibile dal punto iniziale C al punto C, materializzando le curve AA e BB come fossero pareti rigide. La pendenza di ogni tratto del filo rappresenta la portata massima consentita nei vari periodi dell anno.

27 Impianti ad accumulazione per pompaggio In base alla legge della domanda e dell offerta, l energia elettrica ha valore più alto nei periodi di punta rispetto ai periodi di minor consumo. Spesso vengono realizzati impianti idroelettrici con due serbatoi provvisti di una macchina idraulica che possa funzionare sia come pompa che come turbina. In questo modo si può sfruttare l eccesso di potenza degli impianti termoelettrici nei periodi di minor consumo per pompare acqua dal bacino di valle a quello di monte: si crea così una riserva di energia potenziale da sfruttare nei periodi di maggior consumo. L energia elettrica utilizzata per il pompaggio è maggiore di quella generata, ma ha un valore commerciale inferiore, poiché generata in ore di scarso utilizzo. E 1 = energia prelevata dalla rete E 2 = energia restituita alla rete W el, W id = perdite elettriche e idrauliche * E E 2 1 E E 2 1 E 1 W el W id W E el 1 W id W 1 el W E 1 id 0.75

28 Impianti ad accumulazione per pompaggio Scelta della capacità dei serbatoi Durata della accumulazione Riserva strategica di energia costi impatto ambientale almeno uno dei bacini naturali La convenienza può essere solo di tipo economico e non energetico

29 Turbine idrauliche La turbina Pelton: turbina ad azione (tutta l'energia potenziale derivante dal salto utile dell'impianto viene trasformata in energia cinetica nel distributore) utilizzata per grandi salti, di solito tra i 300 e i 1400 m; utilizzata per piccole portate, inferiori a 50 m³/s; si utilizza quindi solitamente per i bacini idroelettrici alpini.

30 Turbine idrauliche La turbina Pelton La girante della ruota è costituita da un disco alla cui periferia sono collocate le palette con la tipica forma a doppio cucchiaio: essa viene alimentata da uno o più getti.

31 Turbine idrauliche La turbina Francis Frequentemente utilizzata sugli impianti idroelettrici è una turbina a reazione (l'energia potenziale derivante dal salto utile dell'impianto viene trasformata in energia cinetica solo in una percentuale dal distributore, mentre il resto viene lasciato alla girante). È una turbina a flusso centripeto, l'acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola che la lambisce interamente, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, statorica, indirizzano il flusso per investire le pale della girante. Questa girante viene impiegata in corsi d'acqua con dislivelli da 10 m fino a m portate da 2 3 m³/s fino a m³/s.

32 Turbine idrauliche La turbina Francis

33 Turbine idrauliche La turbina Kaplan E una turbina idraulica a reazione e flusso assiale che sfrutta piccoli dislivelli, da 5 a 30 m grandi portate, da qualche decina di m³ in su.

34 Impianti idroelettrici in Italia Fonte: GSE

35 Evoluzione della produzione Fonte: GSE Rapporto Statistico Fonti Rinnovabili 2013

36 Evoluzione della produzione Fonte: GSE Rapporto Statistico Fonti Rinnovabili 2013

37 Distribuzione regionale del numero di impianti (fine 2013) Fonte: GSE Rapporto Statistico Fonti Rinnovabili 2013

38 Distribuzione % delle ore di utilizzazione Nel 2013 il 50% degli impianti idroelettrici ha prodotto per ore Fonte: GSE